Mikä on infrapunaoptiikka?

1) Johdatus infrapunaoptiikkaan

Infrapunaoptiikkaa käytetään valon keräämiseen, tarkentamiseen tai kollimoimiseen aallonpituusalueella 760–14 000 nm. Tämä IR-säteilyn osa on edelleen jaettu neljään eri spektrialueeseen:

Lähi-infrapuna-alue (NIR)	700-900 nm
Lyhyen aallon infrapuna-alue (SWIR)	900-2300 nm
Keskiaallon infrapuna-alue (MWIR)	3000-5000 nm
Pitkäaaltoinen infrapuna-alue (LWIR)	8000-14000 nm

2) lyhytaaltoinen infrapuna (SWIR)

SWIR-sovellukset kattavat alueen 900 - 2300 nm. Toisin kuin MWIR- ja LWIR-valo, joka säteilee itse kohteesta, SWIR muistuttaa näkyvää valoa siinä mielessä, että fotonit heijastuvat tai absorboivat kohdetta, mikä tarjoaa tarvittavan kontrastin korkearesoluutioiseen kuvantamiseen. Luonnolliset valonlähteet, kuten ympäristön aloitusvalo ja taustasäteily (alias nightglow), ovat sellaisia SWIR-säteilijöitä ja tarjoavat erinomaisen valaistuksen ulkokuvaukseen yöllä.

Useat sovellukset, jotka ovat ongelmallisia tai mahdottomia suorittaa näkyvällä valolla, ovat toteutettavissa SWIR:n avulla. SWIR-kuvauksessa vesihöyry, palosavu, sumu ja tietyt materiaalit, kuten pii, ovat läpinäkyviä. Lisäksi lähes identtisiltä näkyvät värit voidaan helposti erottaa SWIR:n avulla.

SWIR-kuvausta käytetään useisiin tarkoituksiin, kuten elektronisten levyjen ja aurinkokennojen tarkastukseen, tuotteiden tarkastukseen, tunnistamiseen ja lajitteluun, valvontaan, väärennösten torjuntaan, prosessien laadunvalvontaan ja muihin.

3) Keskiaalto-infrapuna (MWIR)

MWIR-järjestelmät toimivat 3-5 mikronin alueella. MWIR- ja LWIR-järjestelmien välillä päätettäessä on otettava huomioon useita tekijöitä. Ensinnäkin paikalliset ilmakehän ainesosat, kuten kosteus ja sumu, on otettava huomioon. Kosteus vaikuttaa MWIR-järjestelmiin vähemmän kuin LWIR-järjestelmiin, joten ne soveltuvat erinomaisesti esimerkiksi rannikkovalvontaan, alusliikenteen valvontaan tai sataman suojeluun.

MWIR:llä on suurempi ilmakehän välitys kuin LWIR useimmissa ilmastoissa. Siksi MWIR on yleensä parempi erittäin pitkän kantaman valvontasovelluksiin, jotka ylittävät 10 km:n etäisyyden kohteesta.

Lisäksi MWIR on myös parempi vaihtoehto, jos haluat havaita korkean lämpötilan esineitä, kuten ajoneuvoja, lentokoneita tai ohjuksia. Alla olevasta kuvasta näkyy, että kuumat pakokaasupilvet näkyvät huomattavasti paremmin MWIR:ssä kuin LWIR:ssä.

4) Pitkäaaltoinen infrapuna (LWIR)

LWIR-järjestelmät toimivat 8-14 mikronin alueella. Niitä suositellaan sovelluksiin, joissa on lähellä huoneenlämpöisiä esineitä. LWIR-kameroihin aurinko vaikuttaa vähemmän, joten ne sopivat paremmin ulkokäyttöön. Ne ovat tyypillisesti jäähdyttämättömiä järjestelmiä, joissa käytetään Focal Plane Array -mikrobolometrejä, vaikka jäähdytettyjä LWIR-kameroitakin on olemassa ja niissä käytetään Mercury Cadmium Tellurium (MCT) -ilmaisimia. Sitä vastoin suurin osa MWIR-kameroista vaatii jäähdytystä joko nestemäisellä typellä tai Stirling-syklin jäähdyttimellä.

LWIR-järjestelmillä on monia sovelluksia, kuten rakennusten ja infrastruktuurin tarkastus, vikojen havaitseminen, kaasun havaitseminen ja paljon muuta. LWIR-kameroilla on ollut tärkeä rooli COVID-19-pandemian aikana, koska ne mahdollistavat nopean ja tarkan kehon lämpötilan mittauksen.

5) IR-substraattien valintaopas

IR-materiaaleilla on selkeät ominaisuudet, joiden ansiosta ne toimivat hyvin infrapunaspektrissä. IR-sulatettu piidioksidi, germanium, pii, safiiri ja sinkkisulfidi/selenidi, joista jokaisella on vahvuuksia infrapunasovelluksiin.

Sinkkiselenidi (ZnSe)

Sinkkiselenidi on vaaleankeltainen, kiinteä yhdiste, joka sisältää sinkkiä ja seleeniä. Se syntyy syntetisoimalla sinkkihöyryä ja H2 Se -kaasua, joka muodostuu levyiksi grafiittisubstraatille. Se tunnetaan alhaisesta absorptionopeudestaan ja mahdollistaa erinomaisen CO2-laserien käytön.

Optimaalinen vaihteistoalue	Ihanteelliset sovellukset
0,6 - 16 μm	CO2-laserit ja lämpömittari ja spektroskopia, linssit, ikkunat ja FLIR-järjestelmät

germanium (ge)

Germaniumin ulkonäkö on tummanharmaa savuinen, ja sen taitekerroin on 4,024 ja optinen dispersio on alhainen. Sillä on huomattava tiheys ja Knoop-kovuus (kg/mm2): 780,00, joten se toimii hyvin kenttäoptiikassa vaativissa olosuhteissa.

Optimaalinen vaihteistoalue	Ihanteelliset sovellukset
2 - 16 μm	LWIR - MWIR Lämpökuvaus (kun AR-pinnoitettu), kestävät optiset tilanteet

Pii (S)

Piillä on siniharmaa ulkonäkö ja korkea lämpökapasiteetti, mikä tekee siitä ihanteellisen laserpeileille ja puolijohdeteollisuuden piikiekkoille. Sen taitekerroin on 3,42. Piikomponentteja käytetään elektronisissa laitteissa, koska sen sähkövirrat voivat kulkea piijohtimien läpi paljon nopeammin muihin johtimiin verrattuna, se on vähemmän tiheää kuin Ge tai ZnSe. AR-pinnoitetta suositellaan useimpiin sovelluksiin.

Optimaalinen vaihteistoalue	Ihanteelliset sovellukset
1,2 - 8 μm	MWIR, NIR-kuvaus, IR-spektroskopia, MWIR-ilmaisujärjestelmät

Sinkkisulfidi (ZnS)

Sinkkisulfidi on erinomainen valinta infrapuna-antureille, se läpäisee hyvin infrapuna- ja näkyvän spektrin. Se on yleensä kustannustehokas valinta muihin IR-materiaaleihin verrattuna.

Optimaalinen vaihteistoalue	Ihanteelliset sovellukset
0,6 - 18 μm	LWIR - MWIR, näkyvät ja keskiaallon tai pitkän aallon infrapunaanturit

Substraatin ja heijastuksenestopinnoitteen valintasi riippuu siitä, mikä aallonpituus vaatii ensisijaista läpäisykykyä sovelluksessasi. Jos esimerkiksi lähetät infrapunavaloa MWIR-alueella, germanium voi olla hyvä valinta. NIR-sovelluksiin safiiri voi olla ihanteellinen.

Muita vaatimuksia, joita kannattaa harkita infrapunaoptiikan valinnassa, ovat lämpöominaisuudet ja taitekerroin. Substraatin lämpöominaisuudet ilmaisevat sen, kuinka se reagoi lämpöön. Infrapuna-optiset elementit altistuvat usein hyvin vaihteleville lämpötiloille. Jotkut IR-sovellukset tuottavat myös paljon lämpöä. Jotta voit määrittää, sopiiko IR-substraatti sovellukseesi, sinun kannattaa tarkistaa indeksigradientti ja lämpölaajenemiskerroin (CTE). Jos tietyllä substraatilla on korkea indeksigradientti, sen optinen suorituskyky voi olla optimaalinen, kun sitä käytetään termisesti haihtuvassa ympäristössä. Jos sillä on korkea CTE, se voi laajentua tai supistua nopeasti suuren lämpötilan muutoksen vuoksi. Infrapunaoptiikassa yleisimmin käytettyjen materiaalien taitekerroin vaihtelee suuresti. Esimerkiksi germaanin taitekerroin on 4,0003 verrattuna MgF:n 1,413:een. Substraattien saatavuus tällä laajalla taitekerroinalueella lisää joustavuutta järjestelmän suunnitteluun. IR-materiaalin dispersio mittaa aallonpituuden indeksin muutosta suhteessa aallonpituuteen sekä kromaattista aberraatiota eli aallonpituuden erottelua. Dispersio kvantifioidaan käänteisesti Abbe-luvulla, joka määritellään taitekertoimen suhteeksi aallonpituudella d miinus 1, f- ja c-juovien taitekertoimen väliseen eroon. Jos substraatin Abbe-luku on suurempi kuin 55, se on vähemmän dispersiivinen ja kutsumme sitä kruunumateriaaliksi. Hajottavampia substraatteja, joiden Abbe-luku on alle 55, kutsutaan piikivimateriaaleiksi.

Infrapunaoptiikan sovellukset

Infrapunaoptiikalla on sovelluksia monilla aloilla, suuritehoisista CO2-lasereista, jotka toimivat 10,6 μm:n nopeudella, yönäkölämpökameroihin (MWIR- ja LWIR-kaistat) ja IR-kuvaukseen. Ne ovat tärkeitä myös spektroskopiassa, koska monien hivenkaasujen tunnistamisessa käytetyt siirtymät ovat keski-infrapuna-alueella. Tuotamme laserlinjaoptiikkaa sekä infrapunakomponentteja, jotka toimivat hyvin laajalla aallonpituusalueella, ja kokenut tiimimme voi tarjota täyden suunnittelutuen ja konsultoinnin.

Paralight Optics käyttää useita kehittyneitä prosessointitekniikoita, kuten yksipisteen timanttisorvausta ja CNC-kiillotusta tuottaakseen korkean tarkkuuden optisia linssejä piistä, germaaniumista ja sinkkisulfidista, joita voidaan käyttää MWIR- ja LWIR-kameroissa. Pystymme saavuttamaan tarkkuuden alle 0,5 reunan PV ja karheuden alueella alle 10 nm.